WO2005027376A1

WO2005027376A1 - アレーアンテナのビーム形成方法及びアレーアンテナ無線通信装置

Info

Publication number: WO2005027376A1
Application number: PCT/JP2003/011528
Authority: WO
Inventors: Masafumi Tsutsui
Original assignee: Fujitsu Limited
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2005-03-24

Abstract

本発明は、多元接続を行う無線通信システムのアレーアンテナのビーム形成方法であって、アレーアンテナを構成する複数のアンテナそれぞれに接続され１つのセクタから送信された信号を複数の受信回路部で受信し、複数の受信機で前記複数の受信回路部から受信信号を供給されてビーム形成を行い、多元接続されたチャネルを同時に復調かつ復号し、使用中の受信機を把握して未使用の受信機に新たに受信するチャネルを割当て、前記チャネルの割当てに応じて前記１つのセクタを分割する複数パターンのビームのうちどのビームを前記複数の受信機で形成させるかを割当て制御するよう構成することにより、到来方向が予測できない信号に対してもアレーアンテナの利得を得て受信でき、通信環境に応じて柔軟に装置内の受信機を有効に活用して受信機数の増加を抑えることができる。

Description

明細書ァレーアンテナのビーム形成方法及びァレーアンテナ無線通信装置技術分野

本発明は、ァレーアンテナのビーム形成方法及ぴァレーアンテナ無線通信装置に関し、多元接続を行う無線通信システムのァレーアンテナのビーム形成方法及びァレーアンテナ無線通信装置に関する。背景技術

携帯電話に代表される多元接続を行う無線通信システムにおいて、アレーアンテナを用いてビーム形成を行うことにより、信号品質の改善、干渉信号の抑圧、送信電力の低減等が可能である。

図 1は、従来のアレーアンテナ無線通信装置のブロック構成図を示す。このァレーアンテナ無線通信装置は CDMA (Co d e D i v i s i on Mu l t i p 1 e Ac c e s s ：符号分割多元接続）等の移動通信システムの基地局に適用される。

同図中、複数のアンテナ素子 10 i〜l Omで構成されるアレーアンテナ 1 1 で受信された信号は、アンテナ毎に設けられた無線受信回路部 12 i〜 12 mにて増幅、周波数変換、帯域制限されてベースバンド信号に変換された後、 AZD 変換器 13 t〜 13 mでディジタル信号に変換される。ベースバンド信号処理部 14は、多元接続を同時に処理するために設けられた多チャネル（図では nチヤネル）の受信機 1 〜：！ 5nで構成される。

複数の受信機 1 Si l 5 nを、通信を行うユーザに効率よく割当てるため、チヤネル割当制御部 16は受信機 15 i〜 15 nの使用状況を把握し受信機の割当てを行う。受信機を割当てられたチャネルの出力信号は、有線伝送路インターフェース部 17を介して、無線ネットワーク制御装置に送られる。

ベースバンド信号処理部 14に設けられた受信機 15 〜 15 nでは、それぞれのチャネ^/毎にアレーアンテナ 12}〜12mを用いてビームフォーミングを行う。ビームフォーミングに用いるウェイトは、各チャネルの受信機内でアルゴリズムに基づいて推定している。

具体的なアルゴリズムとしては、所望波の到来方向推定に基づくビームステアリングや、 MM S E (最小平均 2乗誤差）規範に基づいて干渉波の方向にヌル点を向けるヌルステアリング、さらにビームステアリングとヌルステアリングを組み合わせた方法などが用いられる。

また、受信機 1 5 〜1 5 nは、アレーアンテナを用いていない通常の受信機同様、同期回路、変調方式に応じた復調回路、および無線フレーム化された信号を元のデータに戻す復号回路などで構成される。

この従来技術では、各チャネルの受信機内でビームフォーミングのためのゥェィト推定を行っている。従って、音声のような受信信号が連続して受信機に入力されてくるような通信においては、徐々に形成するビームの精度を向上させることができ、形成するビームが安定するまでの時間を除き、安定したビーム形成ができる。

なお、特許文献 1には、トラヒック監視部で送受信部からの各セクタの無線チャネル使用率を監視し、各セクタの無線チャネル使用率の変化に基づいて指向性切換部に指向性を切換えさせ送受信部に割当てるセクタ及び無線チャネル数を変化させて、無線チャネル使用率が低いときはセクタを小さくして電波の指向性を狭くし干渉波の影響を少なくするゾーン制御方式が記載されている。

また、特許文献 2には、複数ビームを生成するアンテナで、制御部において各ビームで通信する通信量情報を基に各ビームのパターンを制御し、ウェイト設定部によりビーム毎に励振ウェイトを設定し、各セクタの収容する通信量を均一化ように各セクタビームのビーム幅とビーム方向を適応制御するァダプティブアンテナが記載されている。

また、特許文献 3には、無線端末からの信号をアンテナアレイで受信し、受信信号に基づく相手側情報に基づいてォムニビームと狭ビームの何れかを選択しマルチビーム形成部でアンテナパターンを形成し、同一周波数干渉電力を低減させる無線通信方法が記載されている。

特許文献 1 特開平 5— 3 3 6 0 2 7号公報

特許文献 2

特開平 1 0— 1 2 6 1 3 9号公報

特許文献 3

特開平 9— 2 8 4 2 0 0号公報

図 1の従来技術では、各受信機内でチャネル毎にァレーアンテナ信号処理のためのウェイト推定を行ってビームフォーミングを行っている。従って、音声のように信号が連続して送信されてくる場合には、通話が終了するまでの間そのチヤネルを割当てつづける。

これにより、徐々に形成するビームの精度を向上させることで、形成するビームが収束するまでの通信初期のわずかな時間を除き、安定したビームを形成しァレーアンテナの利得を得ることができる。

しかしながら、今後増加が予想される無線パケット通信では、信号の送信はパケット毎に完結することを前提にシステム設計されるため、バケツト単位で処理を行えるように無線通信装置を設計する必要がある。また、アクセス方式としてランダムアクセスを用いたシステムでは、到来方向が予測できない不特定のユーザから送信されてきた信号を、直ちに処理できるように装置設計しておく必要がある。

このため、従来の音声通信を主として取り扱うアレーアンテナ無線通信装置と異なり、到来する信号に対し即座にビーム形成を行う方法が必要となる。逆にいえば、従来のビーム形成方法を用いることで精度の低いビーム形成を行ってしまうと、アレーアンテナの利得を十分に得ることができないばかり力 \ アレーアンテナ化によりかえって特性劣化を招きかねなレ、という問題があった。発明の開示

本発明は、到来方向が予測できない信号に対してもアレーアンテナの利得を得て受信でき、通信環境に応じて柔軟に装置内の受信機を有効に活用して受信機数の増加を抑えることができるアレーアンテナ無線通信装置を提供することを総括的な目的とする。この目的を達成するため、本発明は、多元接続を行う無線通信システムのァレ一アンテナのビーム形成方法であって、アレーアンテナを構成する複数のアンテナそれぞれに接続され 1つのセクタから送信された信号を複数の受信回路部で受信し、複数の受信機で前記複数の受信回路部から受信信号を供給されてビーム形成を行い、多元接続されたチャネルを同時に復調かつ復号し、使用中の受信機を把握して未使用の受信機に新たに受信するチャネルを割当て、前記チャネルの割当てに応じて前記 1つのセクタを分割する複数パターンのビームのうちどのビームを前記複数の受信機で形成させるかを割当て制御するよう構成する。

このようなァレーアンテナ無線通信装置によれば、到来方向が予測できない信号に対してもアレーアンテナの利得を得て受信でき、通信環境に応じて柔軟に装置内の受信機を有効に活用して受信機数の増加を抑えることができる。図面の簡単な説明

図 1は、従来のアレーアンテナ無線通信装置のブロック構成図である。

図 2は、本発明のァレーアンテナ無線通信装置の第 1実施形態のプロック構成図である。

図 3は、本発明で用いる受信機の第 1実施形態のプロック構成図である。図 4は、ビームフォーマの一実施形態のプロック構成図である。

図 5は、セクタ内に 4つのビームを形成したィメージを示す図である。

図 6は、セクタ内に 4つのビームを形成するビームパターンの一実施形態を示す図である。

図 7は、チャネル割当制御部に設けられたチャネル管理テーブルの一実施形態を示す図である。

図 8は、チヤネル割当制御部が実行するチヤネル割当処理のフローチャートである。

図 9は、各ビーム A， B , C, Dのユーザ分布と割当受信機数の時間変動の一例を示す図である。

図 1 0は、本発明のアレーアンテナ無線通信装置の第 2実施形態のブロック構成図である。図 1 1は、本発明で用いる受信機の第 2実施形態のブロック構成図である。図 1 2は、任意の受信機における受信信号処理のタイムチャートである。図 1 3は、本発明で用いる受信機の第 3実施形態のブロック構成図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図 2は、本発明のァレーアンテナ無線通信装置の第 1実施形態のプロック構成図を示す。このアレーァンテナ無線通信装置は C DM A等の移動通信システムの基地局に適用される。同図中、複数のアンテナ素子 2 (^〜 2 O mで構成される了レーアンテナ 2 1で受信された信号は、アンテナ毎に設けられた無線受信回路部 2 2ェ〜2 2 mにて増幅、周波数変換、帯域制限されてベースバンド信号に変換された後、 AZD変^ ^ 2 3 i〜 2 3 mでディジタノレ信号に変換される。ベースパンド信号処理部 2 4は、多元接続を同時に処理するために設けられた複数チャネル分の受信機 2 5丄〜 5 nで構成されている。

複数の受信機 2 5 i〜2 5 nを、通信を行うユーザに効率よく割当てるため、チャネル割当制御部 2 6は受信機 2 5 〜 2 5 nの使用状況を把握し受信機の割当てを行う。受信機を割当てられたチャネルの出力信号は、有線伝送路インターフェース部 2 8を介して、無線ネットワーク制御装置に送られる。

チャネル割当制御部 2 6では、未使用の受信機に新しく受信を行うチャネルを割当て、どの受信機が使用中である力 \ 使用中の受信機からの出力データの有無を把握し、通信が終了した際には割当て可能な受信機であるといった受信機の現在の状況を監視している。有線伝送路インターフェース部 2 8では、チャネル割当制御部 2 6からの情報で、どの受信機からデータが出力されているかを判断する。

また、ベースバンド信号処理部 2 4に設けられた受信機 2 5 〜 2 5 nそれぞれに対しビームの制御を一元的に行うビーム制御部 2 7を設ける。ビーム制御部 2 7は、チャネル割当制御部 2 6と連携して動作する。ビーム制御部 2 7では各受信機 2 5 i〜2 5 nに対し、異なる方向のビームを形成するための複数のゥェィトを備えておき、各受信機 2 5 i〜 2 5 nはそのいずれかのビームを用いて受信を行う。

すなわち受信機 2 5 2 5 nのチャネル割当は、設定されたビームの方向からの信号のみについて行われる。しかしながら受信機のウェイトを固定してしまうと、特定の方向の信号しか受信することができず、受信機割当もその方向に限られてしまい、結果としてさらに多くの受信機を準備する必要が出てくる。そこで、本発明では、使用頻度の高いビーム（方向）をチャネル割当頻度と共に監視しておき、使用頻度の低いビームを設定する受信機を少なくし、使用頻度の高いビームを多く形成するようにすることで、全受信機に均等に形成するビームを割当てるのではなく、使用状況に応じた割当てを行う。

図 3は、本発明で用いる受信機？〜？！!の第 1実施形態のプロック構成図を示す。ここでは、アレーアンテナ無線通信装置が適用される移動通信システムの基地局はセクタァンテナ構成を用いており、各セクタ内でァレーアンテナを用いるものとする。各セクタにおけるアレーアンテナのアンテナ数は例えば 4とし、 1つのセクタ内で 4つのビームを設定可能であるとする。または、ビーム制御部 2 7でビーム番号を指定し、各受信機に設けられたウェイトテーブルを用いてビーム形成しても良い。

図 3において、ビームフォーマ 3 1は、アンテナ 2 0 2 0 ₄からのデジタル •ベースバンド信号に別々の複素ウェイトを乗算したのち合成を行うことでビームフォーミングを行う。図 4は、ビームフォーマ 3 1の一実施形態のブロック構成図を示す。アンテナ 2 () 2 0 ₄からのデジタル 'ベースバンド信号は乗算器 3 2 i 3 2 ₄に供給されて複素ウェイ Wi W を乗算され、この後、乗算器 3 2 3 2 ₄の出力信号は加算器 3 3で加算合成される。

ビーム制御部 2 7には、 4つのビームを形成するための 4つの複素ウェイトをテーブルとして準備しておき、いずれかのウェイトを選択して乗算器 3 2 i 3 2 ₄それぞれに設定することで 4つのビームを形成することができる。

図 3において、ビームフォーマ 3 1の出力する受信信号は復調回路 3 5及ぴ同期回路 3 6に供給される。同期回路 3 6は受信信号から所定の同期パターンを検出して同期検出信号を復調回路 3 5に供給する。復調回路 3 5は同期検出信号に同期して受信信号を復調し、復号回路 3 7に供給する。復号回路 3 7は復調信号を復号して元のデータに戻し出力する。また、状態レジスタ 3 8には自受信機のチャネル使用状態（使用/未使用）が保持され、この使用状態はチャネル割当制御部 2 6に通知される。

図 5に、開き角度 1 2 0度のセクタ S T内に 4つのビーム A， B， C， Dを形成したイメージを示す。また、図 6に、 1 2 0度の広がりを持つセクタ S T内で、 4素子等間隔直線アレーアンテナを用い、アンテナ間隔 0 . 5 7 λ ( λ :キヤリァ周波数の波長）で形成する 4つのビームの具体的な例を示す。

セクタ内に存在する移動局は、信号を送信し基地局にアクセスを行い、基地局では、当該セクタの信号を受信する。基地局での受信は、ランダムアクセスのような送信されてくる信号の時刻及びその方向が未知の信号であっても、同期獲得、復調処理といった一連の受信処理を行う必要がある。

更に、アレーアンテナを用いた装置においては、信号の到来する方向にビームフォーミングを行って受信を行うこと力移動局の送信電力、多元接続を行う他ユーザへの干渉の低減といった点で優位であり、これがァレーアンテナを用いるひとつの理由でもある。

しかしながらランダムアクセス、パケット通信といった信号は、一般に短時間で通信が終了するため、各アンテナで受信された信号から到来方向を推定し推定結果に基づいてビーム形成を行う方法では、方向の推定に十分な時間が得られないままビームフォーミングを行ってしまい、結果として +分なビームフォーミングの効果を得ることができなくなってしまう。

そこで、本発明では、初期ビーム形成時の特性劣化を抑えるために固定ビームを用いてマルチビーム受信を行うことで、各ビーム方向からの信号についてァレ一アンテナの効果を得た受信を行う。また、隣り合うビーム間の利得の落込みが問題となる際には、その方向にピークを持つような多数のビームを準備しておく。しかしながら、セクタ内を複数のビームで分割したことにより、必要な受信機の数は形成するビーム数倍必要となる。

ベースバンド信号処理部 2 4に備えられた複数の受信機 2 5 i〜 2 5 ηでは、セクタ内を分割するような複数のビームを形成できる構成をとつておき、チヤネル割当制御部 2 6とビーム制御部 2 7からの指示により、全ての（あるいは大半の）受信機はいずれのビームも形成可能な構成をとつてお.くことで、通信を行うユーザ方向にビームを形成することが可能となる。

特に、ランダムアクセスを行うような通信においては、予め設定したビームの方向から送信される信号のみをビーム形成による利得を得て受信することが可能となる。

ここで、チャネル数を 1つのセクタ当たり 100チャネルと仮定し、アンテナ数を 4素子アレー Zセクタとし、形成ビーム数を 4 (固定ビーム）として説明する。

図 7に、チャネル割当制御部 26内に設けられるチャネル管理テーブル 29の一実施形態を示す。チャネル管理テーブル 29は受信機？ら〜？！！ (n= 1 00) に対応するチャネル 1〜100について、当該チャネルの使用状態（1は使用中、 0は未使用つまり使用可能）と、当該チャネルの割当ビーム（A， B， C， D) が格納されている。

図 8は、チャネル割当制御部 26が実行するチャネル割当処理のフローチヤ一トを示す。ステップ S 10の初期設定で各ビーム A， B， C, Dに 25チヤネノレを割当てる。これにより、例えばチャネル 1〜25にビーム Aが割当てられ、チャネル 26〜50にビーム Bが割当てられ、チャネル 51〜マ 5にビーム Cが割当てられ、チャネル 76〜100にビーム Dが割当てられる。

次に、ステップ S 12において、一定時間経過した力、否かを判別し、一定時間を経過していない場合にはステップ S 14で各受信機.25 〜25 。。の状態レジスタからチャネル使用状態を取り込んで時間平均化を行い、チャネル管理テーブル 29を更新する。一方、ステップ S 12で一定時間を経過した場合にはステップ S 16に進む。

この後、ステップ S 16では各ビーム A， B， C, Dのチャネル再割当てを行う。ここでは、チャネル管理テーブル 29から各ビームの使用チャネル数 n a， nb， n c. n dをカウントし、次式から各ビーム A， B, C, Dの割当てチヤネル数 Na， Nb， Nc， N dを決定する。

Na = 1 00 Xn a/ (n a + nb + n c + n d)

Nb = 100 Xn b/ (n a + nb + n c + nd) Nc = 100Xn c/ (n a + nb + n c+n d)

Nd=100Xnd/ (n a + nb + n c+n d)

上記の式はチャネル使用状況の観測結果を基に、使用状況に比例して全チヤネル数 100を割当てる場合を表しており、実際には割当てチャネル数が 0にならないようにする等の補正が必要である。

この後、ステップ S 18で割当てチャネル数 Na， Nb, Nc， Ndになるようにチャネル管理テーブル 29の未使用チャネルの割当ビームを書き換えてステップ S 12に進む。なお、図 7では、チャネル番号が連続するよう各ビーム A， B， C, Dが割当てられた例を示しているが、各ビームに割当てられたチャネルの番号が必ずしも連続する必要はない。また、上記の式に限定されるものではなく、システムに適した各種アルゴリズムの適用が可能である。

図 9に、各ビーム A， B， C， Dのユーザ分布と割当受信機数の時間変動の一例を示す。同図中、各時刻にビーム A， B， C， Dの通信ユーザ数を棒グラフで示している。また、本発明によるビーム Aの受信機数を丸の折れ線グラフで示し、ビーム Bの受信機数を三角の折れ線グラフで示し、ビーム Cの受信機数を四角の折れ線グラフで示し、ビーム Dの受信機数を X印の折れ線グラフで示す。時刻 t oで電源を投入して運用（サービス）を開始し、各ビームは次のような特徴を有している。

ビーム A：時刻 t 4で通信ユーザ数が最大となり、このとき、 25チヤネノレを超えている。

ビーム B ：全体的に通信ユーザ数は少なく、 25チャネルを超えることはないビーム C：時刻 t 7で通信ユーザ数は全ビームで最大の 53チャネルに達し、時刻 t 5〜t 9の間に 25チャネルを超えている。

ビーム D：時刻 t 4で通信ユーザ数が最大となり、このとき 25チャネルを超えている。

この図 9の例では、 100チャネル分の受信機を 4つのビームに均等に割振ると、ビーム A〜Dは全て 25チャネルずっとなることから、通信ユーザの少ないビーム Bでは問題ないが、ビーム A， C， Dでは通信ユーザ数が受信機チャネル数を上回ってしまい全ての通信を収容できなくなっていることがわかる。特に、通信ユーザ数の多レ、ビーム Cの時刻 t 7では半数以下の通信しか収容できなくなる。

本発明では初期状態における通信ユーザ数が不明であるため、 1 0 0チヤネノレの受信機を 4つのビームに均等に割当て 2 5チャネルずっとなつているが、その後、通信ユーザ数の多いビームに多数の受信機を割当てることで、各ビームを形成する受信機数は図 9の折れ線のように変化し、収容できないユーザ数を削減することができる。

図 9で、通信ユーザ数が最大となる時刻 t 7におけるセクタ内の全ての通信ュ一ザ数 1 0 0にマージンを含めてとして 2 0 %のチャネルを割当てると、 1 0 0

X I . 2 = 1 2 0 (チャネル）となる。即ち本発明ではセクタ当たりの受信機数力 1 2 0チャネルあれば図 9に示す全ての通信を収容することができる。

これに対して、従来技術で、ビーム毎の通信ユーザ数が最大となる時刻 t 7のビーム Cの通信ユーザ数 5 3にマージンとして 1 0 %のチャネルを割当てると、 5 3 X 1 . 1 = 6 3 (チャネル)。さらにビーム数の 4倍すると、 6 3 X 4 = 2

5 2 (チャネル）となる。つまり、本発明を適用することで用意する受信機数を従来に比して半分以下にすることができる。

このように、受信機の割当状況とそのビームの割当状況を監視することで、使用頻度の高いビームに多数の受信機を割当てる。すなわち、アクセスを行うチヤネルの到来方向の状況、使用する環境に応じた効率的なビーム割当、受信機割当を行うことで、特性を劣化させずに効率的に受信機を利用するアレーアンテナ受信装置を構成できる。

図 1 0は、本発明のァレーアンテナ無線通信装置の第 2実施形態のプロック構成図を示す。同図中、図 2と同一部分には同一符号を付す。図 1 0において、複数のアンテナ素子 2 (^〜？ O mで構成されるアレーアンテナ 2 1で受信された信号は、デュプレクサ（D U P ) 5 (^〜ら O mを通してアンテナ毎に設けられた無線受信回路部 2 2 i〜 2 2 mに供給され、ここで、増幅、周波数変換、帯域制限されてベースバンド信号に変換された後、 AZD変^^ 2 3 〜2 3 mでデイジタル信号に変換される。ベースバンド信号処理部 2 4は、多元接続を同時に処理するために設けられた複数チャネル分の受信機 2 5 i〜2 5 nで構成されている。

複数の受信機 2 5 i〜2 5 nを、通信を行うユーザに効率よく割当てるため、チャネル割当制御部 2 6は受信機 2 5 i〜 2 5 nの使用状況を把握し受信機の割当てを行う。受信機を割当てられたチャネルの出力信号は、有線伝送路インターフェース部 2 8を介して、無線ネットワーク制御装置に送られる。

チャネル割当制御部 2 6では、未使用の受信機に新しく受信を行うチャネルを割当て、どの受信機が使用中であるか、使用中の受信機からの出力データの有無を把握し、通信が終了した際には割当て可能な受信機であるといった受信機の現在の状況を監視している。有線伝送路インターフェース部 2 8では、チャネル割当制御部 2 6からの情報で、どの受信機からデータが出力されているかを判断する。

また、ベースバンド信号処理部 2 4に設けられた受信機 2 5 〜 2 5 nそれぞれに対しビームの制御を一元的に行うビーム制御部 2 7を設ける。ビーム制御部 2 7は、チャネル割当制御部 2 6と連携して動作することができる。ビーム制御部 2 7では各受信機 2 5 i〜2 5 nに対し、異なる方向のビームを形成するための複数のウェイトを備えておき、各受信機 2 5 ₁〜2 5 nはそのいずれかのビームを用いて受信を行う。

チャネル割当制御部 2 6は、使用頻度の高いビーム（方向）をチャネル割当頻度と共に監視しておき、使用頻度の低いビームを設定する受信機を少なくし、使用頻度の高いビームを多く形成するようにすることで、使用状況に応じた割当てを行う。

一方、無線ネットワーク制御装置から送られた各チャネルのデータは、有線伝送路インターフェース部 5 2を介してベースバンド信号処理部 5 3を構成する複数チャネル分の送信機 5 4 i〜5 4 nそれぞれに供給され、ここで、チャネル毎に符号化され、更に変調されたのちビームフォ一マでビームを形成する。

¾f言機のビームフォーマは、被変調信号を m個の乗算器に分配して供給し、 m 個の複素ウェイトを乗算する。この複素ウェイトはビーム制御部 2 7から供給されており、受信機 2 5 i〜2 5 nのビームフォーマに対する複素ウェイ卜と送信機 5 4 i〜5 4 nのビームフォ一マに対する複素ウェイトは同一とされる。つまり、各チャネルのビームは送信と受信で同一となる。

送信機 5 4 〜 5 4 nそれぞれの出力する m系統の出力データは合成部 5 5 , 〜5 5 mで多重化され、 DZA変 5 6 ₁〜5 6 mでアナログ信号に変換され、無線送信回路部 5 i S 7 mにて増幅、周波数変換、帯域制限されたのち、デュプレクサ（D U P ) 5 0 〜5 O mを通してアンテナ素子 2 0 i〜2 O mから送信される。

上記の第 1，第 2実施形態では、ビーム制御部 2 7で設定された固定ビームを用いて受信信号処理を行うため、移動しながら連続して通信を行う場合には移動によりビームから外れてしまい、また隣り合うビーム間に静止している場合にはわずかながら利得の低下が起こってしまう。そこで、このような状態を回避するための実施形態について説明する。

図 1 1は、本発明で用いる受信機？〜 2 5 ηの第 2実施形態のプロック構成図を示す。同図中、図 3と同一部分には同一符号を付す。図 1 1において、ビームフォーマ 3 1は、アンテナ 2 0 i〜 2 0 ₄からのデジタル 'ベースバンド信号に別々の複素ウェイトを乗算したのち合成を行うことでビームフォーミングを行う。この構成に加えて各チャネル内で適応的なビームを形成するためのウェイト推定部 4 0を備えている。

ビームフォーマ 3 1の出力する受信信号は復調回路 3 5及び同期回路 3 6に供給される。同期回路 3 6は受信信号から所定の同期パターンを検出して同期検出信号を復調回路 3 5に供給する。復調回路 3 5は同期検出信号に同期して受信信号を復調し、復号回路 3 7に供給する。復号回路 3 7は復調信号を復号して元のデータに戻し出力する。また、状態レジスタ 3 8には自受信機のチャネル使用状態（使用/未使用）が保持され、この使用状態はチャネル割当制御部 2 6に通知される。

図 1 2は、任意の受信機における受信信号処理のタイムチャートを示す。同図中、受信機で通信が終了すると、当該受信機の状態レジスタ 3 8を未使用（= 0 ) とする。

チャネル割当制御部 2 6は、当該受信機が未使用であることを認識し、チヤネル管理テーブル 2 9を更新する。ビーム制御部 2 7は、第 1実施形態で述べたように、各ビームの使用状況に応じて未使用の受信機に新たな初期ビームの設定を行う。新たなビームの設定を受けるとその受信機は、状態レジスタ 3 8が使用中 (= 1 ) となり、ランダムアクセス信号受信のための待受け状態となる。

形成中のビームの方向からランダムアクセス信号が到来すると、設定された固定ビームを用いて受信信号処理を開始する。これと同時に、各受信機に設けられたウェイト推定部 4 0では、通信を行うユーザの状況に応じて適応的にビームを形成するため、例えばフィードバック制御またはフィードフォヮード制御によるウェイト推定処理を開始する。一般に、このような適応的なウェイト推定処理では、精度の高いウェイト推定のためにある一定の時間が必要である。

なお、起こりえる全ての通信の通信時間がこの収束に必要な時間以下であるシステムであれば、ウェイト推定部を設けることは無意味であり、第 1実施形態の固定ビームのみの構成で十分である。しかしながら、連続して長時間通信を行うことも可能なシステムにおいては、通信ユーザのビーム間の移動に追従することが必要であり、隣り合うビーム間に長い時間存在して通信を行うことによる利得の低下にも対応しておくことが望ましい。

そこで、本実施形態では、ウェイト推定精度が得られるまでの時間、ビーム制御部 2 7から設定される固定ビームで受信を行い、ウェイト推定部 4 0によるゥエイト推定精度が得られ後にも通信が継続している場合には、各受信機のウェイト推定部 4 0で推定した適応ビームに切替えて通信ユーザのトラッキングを行う。これにより、安定したビームフォーミング及ぴ通信を行うことができる。通信を終了すると、状態レジスタを未使用（= 0 ) とすることで、新たなビーム割当を待つこととなる。

図 1 3は、本発明で用いる受信機 2 5 〜 2 5 nの第 3実施形態のブロック構成図を示す。同図中、図 3と同一部分には同一符号を付す。図 1 3において、ビームフォーマ 6 0は、アンテナ 2 0 〜2 0 ₄からのデジタル ·ベースバンド信号に別々の複素ウェイトを乗算したのち合成を行うことで m (図 1 3では m= 4 ) 種類のビームフォーミング（固定ビーム）を行い、 m種類のビームの受信信号を受信機 2 5 〜 2 5 nそれぞれのセレクタ 6 1に供給する。つまり、ビームフォ一マ 6 0は図 4に示す構成を m系統もっている。

ビーム制御部 6 2は、 m種類のビームから 1つのビームの選択を指示する選択情報を受信機 2 5 〜 2 5 nそれぞれのセレクタ 6 1に供給しており、各受信機 Z S i Z S nのセレクタ 6 1は選択情報に応じて 1種類のビームの受信信号を選択する。

セレクタ 6 1の出力する受信信号は復調回路 3 5及び同期回路 3 6に供給される。同期回路 3 6は受信信号から所定の同期パターンを検出して同期検出信号を復調回路 3 5に供給する。復調回路 3 5は同期検出信号に同期して受信信号を復調し、復号回路 3 7に供給する。復号回路 3 7は復調信号を復号して元のデータに戻し出力する。また、状態レジスタ 3 8には自受信機のチャネル使用状態（使用/未使用）が保持され、この使用状態はチャネル割当制御部 2 6に通知されるこのように、ビームフォーマ 6 0を受信機 2 5 i〜2 5 nで共有することにより、受信機 2 5 〜 2 5 nの回路規模を小さくすることができる。

このように、本発明では、固定ビームを用いてその方向の受信信号処理を行うため、ランダムアクセス信号のような到来方向が予測不可能な信号に対してもァレーアンテナの利得を得て受信することができる。また、多元接続のための多数の受信機とその形成するビームを一元的に管理し、ビームの使用状況に応じたビームを受信機に割当てるため、アレーアンテナ化による受信機数の増加を抑えながら、さらに多くの通信ユーザを収容することができる。

また、連続的に通信を行うシステムにおいては、各受信機に設けられたウェイト推定部により適応ビーム収束後に切替えるため、連続的に安定した通信を行うことが可能である。

このことは、アレーアンテナを適用した無線通信装置で、パケット通信やランダムアクセスをスムーズに行うことができ、装置のチャネル数を抑えながら通信容量を增カ卩させることができ、力つ安定したビーム捕捉を行うことができる。従つて、形成したビームの精度により通信の品質が左右されるアレーアンテナ無線通信装置を安定して動作させることが可能である。

なお、無線受信回路部 2 1 〜 2 l mが請求項記載の受信回路部に対応し、チャネル割当制御部 2 6がチャネル割当制御手段に対応し、ビームフォーマ 3 1， 6 0がビーム形成手段に対応し、ビーム制御部 2 7がビーム制御手段に対応し、ウェイト推定部 4 0がウェイト推定手段に対応し、セレクタ 6 1が選択手段に対応する。

Claims

請求の範囲

1 . 多元接続を行う無線通信システムのァレーアンテナのビーム形成方法で 5)つて、

アレーアンテナを構成する複数のアンテナそれぞれに接続され 1つのセクタから送信された信号を複数の受信回路部で受信し、

複数の受信機で前記複数の受信回路部から受信信号を供給されてビーム形成を行い、多元接続されたチヤネルを同時に復調かつ復号し、

使用中の受信機を把握して未使用の受信機に新たに受信するチャネルを割当て前記チャネルの割当てに応じて前記 1つのセクタを分割する複数パターンのビームのうちどのビームを前記複数の受信機で形成させるかを割当て制御するァレーァンテナのビーム形成方法。

2 . 請求項 1記載のァレーアンテナのビーム形成方法において、

各受信機は、各チャネル内で適応的なビームを形成するためのウェイト推定を行い、

前記チャネルの割当てに応じた制御により各受信機でビーム形成を行ったのち、前記ウェイト推定で推定したウェイ卜でビーム形成を行うアレーアンテナのビーム形成方法。

3 . 多元接続を行う無線通信システムのァレーアンテナのビーム形成方法であって、

ァレーアンテナを構成する複数のアンテナそれぞれに接続され 1つのセクタから送信された信号を複数の受信回路部で受信し、

前記複数の受信回路部から受信信号を供給されて前記 1つのセクタを分割する複数ノ、。ターンのビーム形成を行レ、、

複数の受信機で前記複数パターンのビームのうち 1つのビームを選択し、多元接続されたチャネルを同時に復調かつ復号し、使用中の受信機を把握して未使用の受信機に受信するチャネルを割当て、前記チャネルの割当てに応じて前記 1つのセクタを分割する複数パターンのビームのうちどのビームを前記複数の受信機に選択させるかを割当て制御するァレ一アンテナのビーム形成方法。

4 . 多元接続を行う無線通信システムのァレーアンテナ無線通信装置であつて、

ァレーアンテナを構成する複数のアンテナそれぞれに接続され 1つのセクタから送信された信号を受信する複数の受信回路部と、

前記複数の受信回路部から受信信号を供給されてビーム形成を行うビーム形成手段を具備し、多元接続されたチャネルを同時に復調かつ復号する複数の受信機と、

使用中の受信機を把握して未使用の受信機に受信するチャネルを割当てるチヤネル割当制御手段と、

前記チャネルの割当てに応じて前記 1つのセクタを分割する複数パターンのビームのうちどのビームを前記複数の受信機のビーム形成手段に形成させるかを割当て制御するビーム制御手段を有するアレーアンテナ無線通信装置。

5 . 請求項 4記載のァレーアンテナ無線通信装置において、

前記ビーム制御手段は、使用中の受信機に割当てられているビームの使用頻度に応じて、使用頻度の高いビームほど多く前記複数の受信機のビーム形成手段に割当てるアレーアンテナ無線通信装置。

6 . 請求項 5記載のアレーアンテナ無線通信装置において、

前記ビーム制御手段は、初期状態では前記複数の受信機のビーム形成手段に前記複数パターンのビームを均等に割当てるアレーアンテナ無線通信装置。

7 . 請求項 4乃至 6のレ、ずれかに記載のァレーアンテナ無線通信装置にぉレヽて、各受信機は、各チャネル内で適応的なビームを形成するためのウェイト推定手段を具備し、

前記ビーム制御手段で各受信機のビーム形成手段を制御してビームを形成させたのち、前記ウェイト推定手段で推定したウェイトを用いて前記ビーム形成手段にビームを形成させるアレーアンテナ無線通信装置。

8 . 請求項 4乃至 7のレ、ずれかに記載のァレーアンテナ無線通信装置にぉレ、て、

送信信号のビーム形成を行うビーム形成手段を具備し、多元接続されたチヤネルを同時に符号かつ変調する複数の送信機を有し、

前記ビーム制御手段により前記複数の送信機のビーム形成手段を前記複数の受信機のビーム形成手段と共に制御する了レーアンテナ無線通信装置。

9 . 多元接続を行う無線通信システムのァレーアンテナ無線通信装置であつて、

アレーアンテナを構成する複数のアンテナそれぞれに接続され 1つのセクタから送信された信号を受信する複数の受信回路部と、

前記複数の受信回路部から受信信号を供給されて前記 1つのセクタを分割する複数パターンのビーム形成を行うビーム形成手段と、

前記ビーム形成手段から供給される複数パターンのビームのうち 1つのビームを選択する選択手段を具備し、多元接続されたチャネルを同時に復調かつ復号する複数の受信機と、

前記チャネルの割当てに応じて前記 1つのセクタを分割する複数パターンのビームのうちどのビームを前記複数の受信機の選択手段に選択させるかを割当て制御するビーム制御手段を有するァレーアンテナ無線通信装置。